山西代縣及左云地區(qū)爆破、塌陷波形特征對比分析

梁永燁，張 玲

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

山西是爆破和塌陷等非天然事件的多發(fā)地區(qū)，由于這些事件波形有些簡單較易識別；有些事件波形復雜，常見爆破或塌陷的特征不明顯，不易識別；并且在不同區(qū)域爆破、塌陷波形形態(tài)不一，難以準確區(qū)分。因此，對不同地區(qū)非天然地震事件波形特征進行對比分析，也是地震監(jiān)測工作的一項重要內(nèi)容。一些學者曾對曹妃甸、江蘇、重慶和河南等地區(qū)的天然和非天然地震的P波初動震相、周期、波形衰減、振幅比及頻譜等方面的波形震相特征進行分析對比，得到當?shù)靥烊缓头翘烊坏卣鸬恼鹣嗵卣鱗1-4]。山西地區(qū)在此方面的研究相對較少，基于此，文章選取2009年以來山西臺網(wǎng)記錄到的山西代縣和左云地區(qū)ML≥2.5的爆破和塌陷地震事件目錄，對所選事件的體波和面波形態(tài)、P波初動方向、AS/AP振幅比、幅頻特性等進行對比分析。研究結(jié)果可為爆破和塌陷事件識別提供依據(jù)，也有助于臺網(wǎng)地震速報及編目質(zhì)量的提高，為地方政府應(yīng)對突發(fā)事件提供技術(shù)支持。

1 資料選取

根據(jù)山西地震臺網(wǎng)地震事件編目要求，選取2009年以來山西臺網(wǎng)記錄到的山西代縣和左云地區(qū)ML≥2.5的爆破和塌陷地震事件為研究對象(見表1、第11頁圖1)。對所選事件的體波和面波形態(tài)、P波初動方向、AS/AP振幅比、幅頻特性等進行對比分析。

表1 所選代縣和左云事件列表Table1 List of selected Daixian and Zuoyun events

2 波形特征分析

2.1 爆破、塌陷震相特征

第11頁圖2、3為代縣和左云兩地區(qū)典型爆破和塌陷記錄波形。由于爆破一般在地表進行，介質(zhì)密度較低，且爆破震源體對介質(zhì)施加膨脹壓力，形成壓縮波[5]。如圖2a和3a所示，兩地爆破波形都具有面波明顯，衰減較快，持續(xù)時間短等特點。但圖3a較圖2a波形周期更大，其原因可能是因塌陷受地殼介質(zhì)影響較大，其高頻成分少[6]。從圖2b和3b中看出,兩地塌陷波形較爆破波形更為單純，周期較大且無較多復雜次生波，衰減也快。圖2b的面波出現(xiàn)較早，波形周期較大，能量衰減也較快。從圖中可基本推斷出此次塌陷的大致過程，開始為破裂階段，Pg初動并不太強，波形最大振幅部分顯示的是徹底坍塌過程，之后振幅變小部分則為塌陷引起的振動階段。

圖1 所選爆破及塌陷事件分布圖Fig.1 Distribution of selected blasting and collapse events

圖2 代縣地區(qū)爆破、塌陷典型波形圖Fig.2 Typical waveform of blasting and collapse in Daixian area

圖3 左云地區(qū)爆破、塌陷典型波形圖Fig.3 Typical waveform of blasting and collapse in Zuoyun area

2.2 P波初動

由于爆破產(chǎn)生的沖擊波會在垂直方向上從爆心出發(fā)向地表傳播[7]，如第12頁圖4所示,兩地爆破事件的大部分近臺都有較為清晰的向上初動。較遠臺站初動情況提供的參考價值并不高，如第12頁表2所示，為震中距最近的前8個臺站(震中距120 km內(nèi))記錄的初動情況。代縣地區(qū)爆破事件的近臺向上初動占有相對較高比例，左云地區(qū)則相反。造成此現(xiàn)象的原因可能與當?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造有關(guān)，還需后續(xù)進一步研究。

塌陷是由地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落而引起的，由于震源較淺，而且通常不是一次完成，常有連續(xù)不斷的塌落或巨石滾動的情形發(fā)生，因此，初動大多比較平緩[8]。第12頁圖5所示的兩地區(qū)塌陷的近臺初動并不明顯，從表2可看出,代縣地區(qū)塌陷初動不清，左云地區(qū)初動分布無規(guī)律可循。

2.3 AS/AP振幅比

爆破主要產(chǎn)生P波，由于爆破方式、傳播路徑復雜等的影響，也可能產(chǎn)生剪切力S波，因此,爆破有較強的P波群，S波群則相對較弱[9-10]。塌陷的震源一般為表面源，事件過程通常不是一次性高速破裂過程。P、S振幅比可以反映此特點，而且用振幅的比值可減小震級、地震儀的放大倍數(shù)和頻率特性的影響[11]。因此，選取不同震中距下垂直向Pg的最大振幅和Sg的最大振幅，經(jīng)過對一定震中距范圍內(nèi)臺站AS/AP的比值進行疊加，獲得兩地的平均振幅譜比值，去除由臺站的方位及震中距引起的差異。

圖4 代縣、左云地區(qū)爆破近臺初動Fig.4 Initial motion near stations of blasting in Daixian and Zuoyun areas

表2 代縣、左云地區(qū)爆破和塌陷初動統(tǒng)計Table 2 Initial motion statistics of blasting and collapse in Daixian and Zuoyun areas

由于爆破源所在的地質(zhì)環(huán)境不同，所產(chǎn)生的振幅也不同，因此，震相幅值比判據(jù)與具體地區(qū)有很強的經(jīng)驗性關(guān)系[12]。如圖6所示，代縣地區(qū)爆破的AS/AP值未隨震中距增大而變化，且數(shù)值始終低于塌陷數(shù)值；如圖7所示,左云地區(qū)爆破的AS/AP值則隨震中距增大呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，且在震中距60～79 km之后出現(xiàn)超越塌陷的數(shù)值。從圖中可以看出，兩地區(qū)塌陷事件的AS/AP值均隨著震中距的增大呈現(xiàn)下降趨勢；在震中距小于60 km的情況下，遠遠大于爆破的AS/AP值，代縣地區(qū)可達2～3倍，左云地區(qū)則最高可達6倍。

2.4 幅頻特性曲線

不同震源會產(chǎn)生不同頻率的波動，能量傳遞所依靠的介質(zhì)對波動具有選頻吸收作用，且觀測儀器具有一定頻率特性，對地震波形也會產(chǎn)生一定影響。因此，對地震波進行譜分析，可利用地震波所含信息，研究波動現(xiàn)象及其物理內(nèi)涵[13]。為降低由于高頻成分被地表過分吸收及地震計頻帶寬度對結(jié)果的影響，每個地震事件均選擇最近的寬頻帶地震計臺站，使用地震交互分析軟件進行頻譜分析，得出如圖8和圖9所示的代縣和左云地區(qū)爆破與塌陷的幅頻特性曲線。從兩圖中看出，爆破和塌陷的能量多集中在信號的起始階段，主頻明顯集中在0～1.5 Hz頻段，頻率成分相對簡單、能量衰減較快，塌陷的高頻衰減較爆破快。

圖5 代縣、左云地區(qū)塌陷近臺初動Fig.5 Initial motion near stations of collapse in Daixian and Zuoyun areas

圖6 代縣地區(qū)爆破、塌陷振幅比Fig.6 Amplitude ratio of blasting and collapse in Daixian area

圖8 代縣地區(qū)爆破、塌陷幅頻特性曲線Fig.8 Amplitude frequency characteristic curve of blasting and collapse in Daixian area

圖9 左云地區(qū)爆破、塌陷幅頻特性曲線Fig.9 Amplitude frequency characteristic curve of blasting and collapse in Zuoyun area

3 結(jié)論與討論

通過對2009-2018年山西臺網(wǎng)記錄到的代縣和左云地區(qū)ML≥2.5的爆破和塌陷事件進行系統(tǒng)分析及對比，得出以下結(jié)論：

(1) 兩地區(qū)典型的爆破波形都具有周期小、面波發(fā)育、有較多復雜次生波和持續(xù)時間短等特點；塌陷波形較爆破波形具有周期大和衰減快的特點。代縣地區(qū)的塌陷較左云地區(qū)面波出現(xiàn)早，具有大周期和能量衰減快的特征。

(2) 代縣地區(qū)爆破事件初動向上的近臺個數(shù)占有相對較高比例(大于50%)，左云地區(qū)則占比不高(小于50%)；代縣地區(qū)塌陷事件初動不清，左云地區(qū)的初動分布無規(guī)律可循。

(3) 兩地區(qū)塌陷事件的AS/AP值均隨著震中距的增大呈現(xiàn)下降趨勢，爆破事件則呈現(xiàn)不同趨勢。代縣地區(qū)爆破的AS/AP數(shù)值隨震中距增大基本保持不變，始終低于塌陷的數(shù)值；左云地區(qū)爆破的AS/AP值則隨震中距增大呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，在震中距60～79 km之后超過塌陷的數(shù)值。

(4) 通過對波形進行幅頻特性分析，得出兩地區(qū)爆破和塌陷的能量多集中在信號起始的0～1.5 Hz頻段，塌陷的高頻衰減較爆破快。

(5) 通過對兩地區(qū)爆破和塌陷不同類型事件各指標的差異對比分析，得出較為適用且簡單高效的判斷依據(jù)，有利于快速判別兩種事件類型，進而對山西數(shù)字地震臺網(wǎng)地震監(jiān)測速報質(zhì)量提高起到積極作用。當然，并非所有爆破或塌陷事件具備上述典型特征，需經(jīng)多臺站、多途徑綜合判別分析。因文章收集的事件資料有限，對判定爆破與塌陷的性質(zhì)尚有諸多不足，需在今后的研究中逐步完善。

注：文章部分內(nèi)容由山西省地震局地震數(shù)據(jù)資源開發(fā)創(chuàng)新團隊資助。